一種改進的頁巖氣地震約束多因素孔隙壓力預測方法

巫芙蓉 周詩雨 鄧小江 楊 曉 黃 誠 蔣 波 王小蘭 王 夢 李陽靜

中國石油東方地球物理公司西南物探研究院

0 引言

地應力場在斷層裂縫活動評價、井壁穩定、井位設計等方面發揮著重要的作用[1-2]。在其預測過程中，要面對一個關鍵問題，即如何構建高精度的孔隙壓力場。作為油氣藏基礎參數的孔隙壓力，它在地應力場預測[3]中具有非常重要的作用?？紫秹毫Φ念A測精度將直接影響到地應力場的預測精度，同時也是地應力場中最小主應力值的下限值。

通過分析四川盆地頁巖氣區塊鉆井實測孔隙壓力數據發現，該區的孔隙壓力系數具有以下特點：①橫向變化大，相鄰兩井之間的孔隙壓力系數差值大，最大可達到1.1；②區域之間雖然相互連通，但卻存在著不同的壓力區域，既有低壓地區、也有高壓地區；③縱向穩定，根據巖石物理實驗、鉆井和測井數據，整個頁巖氣儲層段孔隙壓力系數在縱向上沒有大的波動。

孔隙壓力可以通過隨鉆預測灰色模型加以預測[4]，但是所獲得的結果只是井點處的孔隙壓力，沒有辦法獲得平面結果。目前在實際生產中，對四川盆地頁巖氣孔隙壓力系數的分布主要通過以下兩種方法得到：①直接根據井測試數據插值得到，但精度低，人為主觀因素影響大；②根據目的層埋藏深度得到。研究發現，四川盆地頁巖儲層壓力系數與其埋藏深度具有較為明顯的正相關關系，作為川南CN地區重要的頁巖氣井N201、N211等井，簡單地采用前期生產中壓力系數與埋深的關系（y=1.6348lnx-11.276，R2=0.7647），計算的壓力系數預測誤差達到30%左右，孔隙壓力誤差絕對值介于12～13 MPa。由此可見，利用壓力系數與埋深關系求取的孔隙壓力精度較低，不利于頁巖氣“甜點”區的準確圈定及后續地應力場的研究，因而有必要對孔隙壓力進行精準的預測。

一般認為孔隙度與有效應力之間存在著一定的關系。孔隙度可通過縱波速度加以計算，而通常情況下有效應力可約等于垂直主應力與孔隙壓力之差[5]。因此大部分的地球物理測井孔隙壓力預測方法中[6～8]（Eaton、Bowers、Phillipphone方法等），都基于縱波速度越低、孔隙度越大、有效應力越低、孔隙壓力越大這一假設，利用縱波速度求解孔隙壓力。各類常規的基于縱波速度的方法，如Eaton、Bowers、Phillipphone法在上述地區的應用都存在著一定的局限性。根據前面所述，四川盆地頁巖氣區塊孔隙壓力系數具有橫向變化大、縱向穩定的特征。采用上述方法在進行預測時，橫向和縱向預測值域無法協調：若要滿足橫向的壓力系數變化，則縱向上會出現大幅度的壓力系數波動；若要滿足縱向上的壓力系數變化穩定，則橫向的壓力系數變化值域又無法滿足壓力系數變化范圍。因此，需要尋求新的孔隙壓力經驗關系式。

為此，筆者基于四川盆地頁巖氣區塊的構造背景，綜合分析速度、巖性、構造作用等因素對孔隙壓力的影響，并利用測井、巖石力學實驗、地震構造解釋以及疊前同時反演數據，形成了一套地震約束下的多因素孔隙壓力和孔隙壓力系數預測方法，以期為后續頁巖氣“甜點”區選擇、井位部署、水平應力參數預測等提供更高質量的數據支持。

1 蜀南頁巖氣田地質概況

中石油頁巖氣田主要分布在蜀南WY、CN等地區，WY建產區主要位于WY構造東南斜坡（圖1），即W201—W204井區，由于受加里東構造運動的影響，WY構造西北方向為加里東古剝蝕區，古剝蝕線呈北東向展布。

CN建產區主要分布在CN構造西南斜坡和向斜區域，即N206南—N201井一帶，CN地區由于受喜山期構造運動的影響形成CN構造核部的現今剝蝕區。由WY至LZ再到CN地區，龍馬溪組埋藏深度表現為逐漸變深再變淺的變化規律。地層厚度有如下特點：由WY地區至LZ再到CN地區，地層厚度逐漸增大再減??；WY地區龍馬溪組地層向西北方向逐漸減薄甚至缺失，地層厚度變化快且大，CN地區地層厚度較LZ地區薄，但是地層厚度較穩定（圖1）。從構造平面圖和剖面圖可知，WY和CN頁巖氣主體開發區構造整體較簡單，LZ地區構造較復雜，斷層縱向斷開層位、斷距、規模較大（圖1）。

2 蜀南頁巖氣孔隙壓力影響因素分析

如前所述，大部分的地球物理測井孔隙壓力預測方法都是通過孔隙度與有效應力之間的關系來搭建縱波速度與孔隙壓力之間的關系，即以縱波速度為基礎進行計算。但對于四川盆地頁巖氣，縱波速度的變化受到了除孔隙壓力以外的其他因素影響。同時，孔隙壓力本身也不僅僅與縱波速度有關。根據該地區的測井、巖石力學數據以及地質背景研究發現，對于四川盆地頁巖氣而言，斷裂發育情況、巖性、剝蝕作用是除速度以外影響孔隙壓力預測的3大因素。

2.1 斷裂發育情況

圖1 WY—LZ—CN地區地震反射剖面圖

四川盆地經歷的多期構造運動形成了埋藏、抬升、斷裂和褶皺等多種作用，這些作用造成了頁巖氣的聚集與散失[9]。不同構造部位決定了斷裂發育程度有所差異。蜀南鄰近盆地邊緣地區，大斷層發育，構造核部斷層往往切穿頂底板地層，向上切至須家河組甚至地表，造成頁巖氣的垂向逸散，壓力系數低，保存條件差。如盆地邊緣YB構造核部大斷裂發育，Y201井壓力系數1.1；CN地區的H9平臺、ZT地區的YS107井，也由于臨近大斷層，壓力系數分別為0.9和1.0。由盆地邊緣到盆地內部，斷層發育程度有所減弱，壓力系數逐漸升高，保存條件逐漸變好。因此，不同構造部位斷裂發育程度不同，斷裂發育程度又影響了地層壓力系數，同時影響頁巖氣的保存條件。

針對斷裂發育對孔隙壓力系數的影響，可選擇斷層斷裂分類的方法進行考慮。根據四川盆地頁巖氣區開發經驗總結，切穿不同層位的斷層對壓力系數影響不一，大致可兩類：①從龍馬溪組目的層切穿地表的斷層，2 km范圍內壓力系數基本變為常壓；②從龍馬溪組切至二疊系或下三疊統的斷層，通常在700 m范圍內，壓力系數有一定的降低。同時在該區域內，也存在油氣泄漏的風險。因此，在進行井位部署時，應盡量避開這兩類區域。

2.2 巖性

根據測井資料顯示，四川盆地頁巖氣儲層底均顯示為高聲波時差，低縱波速度的特點（圖2）。根據地球物理孔隙壓力預測理論，應該會相應出現孔隙壓力明顯升高的情況[5]。但根據鉆井液密度數據反應，從下二疊統底至龍馬溪組的孔隙壓力系數基本不變。從測井數據來看，龍馬溪組的孔隙度保持了相對穩定，反而是伽馬曲線出現了明顯升高的情況。四川盆地頁巖氣儲層段高自然伽馬強度被認為是頁巖氣中干酪根的函數[10]，即與地層巖性有關。

圖2 WY地區某井測井曲線與鉆井壓力系數剖面

顯然，四川盆地頁巖氣儲層段縱波速度的明顯降低，并不是僅僅由于孔隙壓力增大導致的，還有巖性變化引起的縱波速度降低。因此，在預測孔隙壓力時，需要將巖性的變化考慮在其中。

2.3 剝蝕作用

在加里東運動時期，四川盆地形成了樂山龍女寺古隆起，表現川西地區整體缺失石炭系、志留系，WY地區位于樂山龍女寺古隆起軸線的邊緣，志留系地層遭受了不同程度的剝蝕。CN構造核部在喜山期遭遇了強烈剝蝕，核部出露上寒武統地層，由核部至向斜依次出現寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系甚至侏羅系。通過對WY和CN地區現有頁巖氣井壓力系數進行統計發現，儲層段壓力系數不僅與離剝蝕線（古剝蝕線、現今剝蝕線）的距離有關，還與目的層埋藏深度有關。隨著志留系剝蝕程度的增加，如果離剝蝕線距離較近，縱然井的埋深較大，其下二疊統底至龍馬溪組底部的孔隙壓力系數仍然會顯著低于其他相似埋藏深度的井。即在埋深、聲波時差、儲層物性均相近的情況下，越靠近剝蝕區，壓力系數也相應越低。剝蝕作用會導致應力卸載、流體逸散，致使孔隙壓力降低，而孔隙度僅會發生微小的恢復，此時反映孔隙度的縱波速度就無法完全反映孔隙壓力[11]。因此在四川盆地頁巖氣壓力系數預測中，需要結合區塊的地質背景，根據具體情況考慮剝蝕作用對壓力系數的影響。

3 改進的孔隙壓力預測方法

孔隙壓力的計算一般基于垂直主應力和有效應力：

式中pp表示孔隙壓力，MPa；pe表示有效應力，MPa；Sv表示垂直主應力，MPa；α表示Biot系數；可用泊松比σ求得[7]：

式中vp表示疊前同時反演縱波速度，m/s；vs表示疊前同時反演橫波速度，m/s。

基于地震約束進行地質建模和屬性建模，并對建模所得密度體進行壓力積分計算，即可得到上覆地層壓力，可近似認為等于Sv。

pe與縱波速度和巖性相互影響，可通過建立三參數關系模型進行求解：

1）由于目前四川盆地缺少針對頁巖氣有效應力與縱波速度關系的實驗研究，因此在這里，我們參考式（4）的Eaton法、式（5）的Bowers法、式（6）的Phillipphone法的函數形式，在此基礎上進行進一步擴展。

式中Sv表示上覆地層壓力，MPa；pw表示靜水壓力，MPa；vnormal表示正常趨勢線上的縱波速度，m/s；c表示伊頓指數；vw表示地震波在水中的縱波速度，m/s；A，B表示常數；vmax，vmin分別表示目標層位內最大最小縱波速度，m/s；vint表示目標層位層速度，m/s。

2）引入巖性變化指示因子。對自然伽馬測井數據進行歸一化后，將其作為表征地層巖性變化的指示因子Li，引入孔隙壓力的預測中。至此，有效應力則表征為了縱波速度和巖性變化指示因子的函數：

3）基于式（4）～（7），設計6組非線性回歸實驗（表1），并求解其相關系數，優選相關系數最高的表達式作為有效應力的回歸關系式。

表1 非線性回歸實驗變量設計表

通過多地區數據進行試驗表明，四川盆地頁巖氣儲層一般采用式（8）的有效應力與孔隙壓力的關系式，可取得較好預測效果：

式中A1、A2、A3表示回歸系數，為常數值。

4）引入剝蝕強度因子D，對孔隙壓力系數進行校正。不同地區的剝蝕強度表征方法略有不同，如地層厚度、剝蝕厚度、距離剝蝕線距離等，具體應結合區塊地質背景進行確定。在WY地區，由于加里東古構造運動剝蝕作用造成的志留系厚度變化明顯，因此，在該區塊采用剝蝕厚度表征剝蝕強度；然而在CN地區小范圍內，志留系厚度變化不甚明顯，則采用離喜山期剝蝕線的距離作為剝蝕強度的表征。引入剝蝕強度后，對孔隙壓力系數做二次校正，則函數式表達為：

通過多元擬合實驗，相關性最高的表達形式為線性表達式：

其中，B1、B2、B3為回歸系數，為常數值。

5）基于式（8）～（12），整理最終得到的孔隙壓力系數表達式為：

4 疊前同時反演體

用于壓力預測的速度有多種方法求取。通過地震資料處理然后利用Dix公式求取地層層速度[12-13]；通過鉆井資料擬合速度與深度的關系求取速度[14]；也可以通過反演方法獲得層速度[15-16]。為了獲得細節更加豐富、精度更高的孔隙壓力預測結果，本次研究我們利用疊前同時反演得到高精度縱橫波速度體以及密度體作為孔隙壓力預測的輸入數據。為了保證成果的可靠性，在進行疊前同時反演時特別注重過程和結果的嚴格質控（圖3）。

圖3 疊前同時反演各階段質控圖

在角道集分組時，如果用于同時反演的角道集分組個數較少，疊前同時反演所利用的疊前地震信息也較少，會影響反演穩定性。如果用于同時反演的角道集個數過多，會降低每組數據的信噪比。以WY地區道集數據為例，該地區角道集目的層入射角范圍在0°～42°，道集數據信噪比較高。因此，為增強疊前AVO反演的穩定性，得到穩定的密度反演體，適當增加了角道集分組數量。故將角道集分為7組來開展反演研究，即0°～6°、6°～12°、12°～18°、18°～ 24°、24°～ 30°、30°～ 36°與 36°～ 42°，并提取隨角度變化的地震統計子波。所得到的速度和密度剖面如圖4、5所示。

圖4 WY地區縱波速度反演連井剖面

圖5 WY地區密度反演連井剖面

5 應用實例與應用效果

在進行實際應用時，選擇了地震約束下的孔隙壓力建模方法，以構造模型為基礎，實現多學科數據的一體化整合?；谏疃扔虻臉嬙旖忉尦晒?、疊前同時反演成果、測井數據、巖石力學實驗數據，共同構建地質模型、彈性參數模型及巖性力學模型。圖6為WY某區的孔隙壓力預測模型。

WY地區斷裂不發育，因此可以不考慮斷層的影響。根據該地區的實鉆數據可以得到：A1=0.429 6，A2=0.455 8，A3=13.97，B1=0.139 8，B2=0.610 6，B3=2.678。該地區的儲層段壓力系數與地層厚度存在顯著關系，因此采用地層厚度來表征剝蝕強度因子D。針對龍馬溪組中部地層，B2C'p項（縱波速度與巖性）權重約占50%左右，B3D（剝蝕作用）權重約占40%，B1權重在10%以下。

圖6 WY連片某地區孔隙壓力預測模型圖

WY井區實測的孔隙壓力系數從0.92（低壓區）一直變化至1.96（高壓區）（表2），平面上壓力系數變化范圍大，且存在從低壓區至高壓區的過渡。若采用Eaton法則需要進行壓力分區，而該區域儲層連通，無明顯的壓力邊界。若采用Bowers或者Phillipphone法，則會出現要么無法覆蓋平面上壓力系數的值域，要么在縱向上壓力系數波動劇烈。

而采用改進的孔隙壓力預測方法，在平面上，通過對WY井區8口井（驗證井W70井、W8井）進行計算，龍馬溪組的實測孔隙壓力系數與預測孔隙壓力系數的平均絕對誤差為0.04以內，相對誤差在4.35%以內，預測效果較好。

表2 WY地區驗證井地層壓力系數預測誤差表

從縱向預測結果來看，常規方法所預測（以Phillipphone法為例）在縱向上的預測結果數值波動巨大，在P1l～O3w的范圍內壓力系數值從1.0變動至2.5以上。而新方法中由于引入了巖性指示因子，相同層段所預測的孔隙壓力系數數值基本保持穩定（圖7），這與梁山組（P1l）至龍馬溪（O3w）組實測壓力系數趨于較穩定的地質認識是一致的，說明本文的預測結果更加可靠。

按WY區塊技術思路，根據CN區塊數據分析可得，A1=0.156，A2=0.455 8，A3=-13.97，B1=-3.135，B2=2.13，B3=-0.043 66。其儲層段壓力系數與距離CN剝蝕區的距離顯現顯著關系，因此采用距離剝蝕區的距離來表征剝蝕強度因子D。與原CN地區孔隙壓力預測結果相比，不僅平面上細節變化更豐富，所預測的結果也更合理，更符合該地區的實測結果（表3）。

圖7 孔隙壓力預測方法在WY地區的應用效果對比圖

表3 CN地區驗證井地層壓力系數預測誤差表

CN井區7口井（驗證井N7井），實測孔隙壓力系數與預測孔隙壓力系數的平均絕對誤差為0.06以內，相對誤差在3.50%以內，預測效果較好。

6 結論

1）針對四川盆地目前下二疊統底至龍馬溪組底的孔隙壓力和孔隙壓力系數分布特征，提出了考慮縱波反演速度、巖性變化、剝蝕程度的孔隙壓力預測方法。

2）與該地區常用的井插值求孔隙壓力系數的方法相比，本文中改進的孔隙壓力預測方法所得結果預測精度更高，也更符合地質認識。與僅考慮縱波速度的傳統預測方法相比，該方法不僅在平面上能夠保證孔隙壓力系數預測精度，同時在縱向上也能保持壓力系數的穩定，在四川盆地的應用效果具有較為明顯的優勢，為后續的地應力預測和分析工作提供了良好的數據基礎。